Analog Discovery 2在模擬電子技術(shù)實驗案例中的應(yīng)用

張 濤，黃大剛，包秀娟，王鴻鵬

（南開大學(xué) 人工智能學(xué)院，天津 300350）

模擬電子（簡稱“模電”）技術(shù)實驗是自動化、電氣、電子信息、通信等專業(yè)本科生的必修實驗課[1]。學(xué)生通過該實驗課程的學(xué)習(xí)可以更加深刻地理解模擬電子技術(shù)理論，學(xué)習(xí)電路的設(shè)計與仿真，鍛煉動手能力與創(chuàng)新意識，為后續(xù)的科研等方面工作打下良好基礎(chǔ)，因此是一門重要的基礎(chǔ)性實驗課程[2-3]。

隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在科研和教學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛，很多院校開設(shè)的實驗課程都應(yīng)用了該項技術(shù)[4]。目前基于虛擬仿真技術(shù)的模電實驗教學(xué)普遍存在以下問題：①只是單純地虛擬仿真，沒有搭建實際電路，雖然實驗過程快捷方便，但是學(xué)生容易出現(xiàn)眼高手低、動手能力差等問題[5]；②隨著招生規(guī)模的擴(kuò)大，實驗室受限于經(jīng)費、空間等因素，難以相應(yīng)地擴(kuò)大規(guī)模，各實驗小組學(xué)生過多，難以保證教學(xué)效果；③實驗儀器體積較大，不便于移動，學(xué)生的實驗地點僅局限于實驗室，課下難以在實驗室之外使用實驗儀器開展創(chuàng)新項目。

“虛實結(jié)合”的思路能夠很好地解決第一方面的問題，因為實驗過程既包括搭建實際電路，又包括虛擬仿真，目前一些廠商出品的虛擬仿真實驗裝置能夠很好地兼顧這兩個方面[6]。針對第二、三方面的問題，如果采用迷你型實驗裝置加 PC的組合，就能避免傳統(tǒng)教學(xué)模式的約束，投入成本低，安全性高，不受時間、地點約束。如果將現(xiàn)有的機房擴(kuò)展為電子實驗室，學(xué)生不但可以課上進(jìn)行實驗，而且可以課下進(jìn)行自主創(chuàng)新項目，有利于調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，取得良好的教學(xué)效果[7-8]。

1 Analog Discovery 2平臺介紹

Analog Discovery 2（以下簡稱 AD2）是一款由Digilent 公司出品的第2代迷你型多功能儀器，可以方便地測量、讀取、生成、記錄和控制各種混合信號電路[9]。儀器基于 Xilinx公司高性能且靈活的Spartan-6 FPGA，尺寸約為8 cm×8 cm×2.5 cm，卻能提供100 MPS雙通道USB數(shù)字示波器、雙通道任意函數(shù)發(fā)生器、16通道數(shù)字邏輯分析儀、信號源、可調(diào)電源、頻譜分析儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀等10種儀器功能，參數(shù)強勁且性能穩(wěn)定。其配套控制軟件Waveforms具有豐富的數(shù)據(jù)處理和支持腳本操控的功能，還可滿足高

圖1 AD2（NI Edition）實物圖

層次、多樣化的測試需要[10]。這組套件完全可以滿足日常實驗和項目需要，是一款真正意義上的“口袋實驗室”。我們目前使用的是Digilent公司和NI公司聯(lián)合出品的版本，外觀如圖1所示。AD2帶有針形接口，也可通過適配器轉(zhuǎn)換為BNC接口。二者的選用取決于信號的種類，針形接口適用于靜態(tài)或低頻信號，BNC接口適用于高頻信號或易受干擾的信號。AD2的排針對應(yīng)的線纜用不同顏色進(jìn)行區(qū)分，引腳圖如圖2所示。

圖2 AD2引腳圖

2 基于Multisim和AD2的實驗流程

在未搭建實際電路前，仿真是一種驗證電路原理的便捷方式。NI公司的Multisim軟件就是這方面一個很好的工具。Multisim以Windows系統(tǒng)為基礎(chǔ)，適用于對板級模擬電路板的設(shè)計[11]，包括電路原理圖的圖形輸入方式和電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力[12]?；贛ultisim和AD2的實驗流程如圖3所示。

圖3 基于Multisim和AD2的實驗流程圖

按照實驗指導(dǎo)書給出的電路原理圖，可以先用Multisim軟件進(jìn)行仿真，如果實驗結(jié)果不理想，可以修改參數(shù)或者改進(jìn)電路直至達(dá)到預(yù)期效果。然后按照最終確定下來的電路，在AD2配套的面包板上進(jìn)行電路搭建，搭建完成后使用Waveforms軟件進(jìn)行輸入信號配置，并測量輸出信號。最后，將實際顯示結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對比[13]。

3 積分電路實驗案例及結(jié)果對比

3.1 基于Multisim的仿真過程及結(jié)果

以模電實驗中常規(guī)的積分電路為例，按照上述流程進(jìn)行相應(yīng)實驗。使用Multisim軟件仿真、修正后的電路圖如圖4所示，由于加了電阻R3，實際上為近似的積分電路[14]。所使用的運放型號為UA741CP，引腳圖如圖5所示。

圖4 Multisim軟件設(shè)計的積分電路圖

圖5 運放UA741CP引腳圖

函數(shù)信號發(fā)生器的波形選擇及參數(shù)設(shè)置如圖6所示，所產(chǎn)生的方波信號頻率為100 Hz，振幅為2 V。示波器的測量結(jié)果如圖7所示，可以看出方波信號積分后的波形。

圖6 函數(shù)發(fā)生器的波形設(shè)置及參數(shù)選擇

圖7 示波器的測量結(jié)果

3.2 基于AD2的實驗過程及結(jié)果

仿真完成后，使用AD2配套的Analog Parts Kit在面包板上搭建設(shè)計好的電路，然后連接信號輸入、輸出端和供電端，這部分的連接參照AD2引腳圖。信號發(fā)生器給電路提供輸入信號，運放的工作電壓由電源輸出接口提供，輸出信號經(jīng)示波器接口采集后，在軟件上顯示。實物電路搭建如圖8所示。

圖8 實物電路搭建圖

通過USB連接AD2和PC，打開Waveforms軟件，界面如圖9所示。首先進(jìn)行供電電壓設(shè)置，為運放提供的工作電壓為±5 V，如圖10所示。然后進(jìn)行函數(shù)信號發(fā)生器參數(shù)設(shè)置，選擇方波，頻率為100 Hz，振幅為2 V，如圖11所示。

圖9 Waveforms軟件界面

圖10 供電電壓的參數(shù)設(shè)置界面

圖11 函數(shù)信號發(fā)生器的參數(shù)設(shè)置界面

最后用示波器采集輸入信號和輸出信號波形，如圖 12所示，驗證積分電路的主要作用。實際結(jié)果與Multisim仿真結(jié)果基本一致。

圖12 示波器采集輸入信號和輸出信號波形圖

4 結(jié)語

虛擬仿真實驗教學(xué)方式與傳統(tǒng)教學(xué)方式相比，大大減少了基本儀器如萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器、示波器等的使用，降低了投入，節(jié)省了空間[15]。AD2迷你型儀器的使用，進(jìn)一步增強了靈活性與開放性，解決了實驗空間、時間受限問題。由 AD2在模電實驗案例積分電路中的應(yīng)用可以看出，連線過程大大簡化，且調(diào)試簡便，顯示效果好。綜合運用AD2、Multisim、面包板進(jìn)行虛實結(jié)合，可以有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉實踐能力和創(chuàng)新意識，取得了良好的教學(xué)效果[16]。